網(wǎng)絡(luò)電視視頻質(zhì)量監(jiān)察模型探討

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本文作者：譚杰、孫志剛、程輝 單位：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

MDI[4]包括兩個(gè)部分：延遲因素DF(DelayFactor)和媒體丟包率MLR(MediaLossRate)。但從RFC4445中可以看出計(jì)算和實(shí)現(xiàn)DF的算法比較復(fù)雜。DF是指一個(gè)時(shí)間間隔期間，在每個(gè)視頻流報(bào)文數(shù)據(jù)包接收處觀察到的，流入的報(bào)文數(shù)據(jù)與流出的報(bào)文數(shù)據(jù)之間的最大差值與媒體流碼率MR(MediaRate)的比值，即接收到的字節(jié)數(shù)和解碼所需的字節(jié)數(shù)之間的最大差值再與MR的比值。若在每個(gè)采樣周期內(nèi)有k個(gè)報(bào)文到達(dá)，則需要計(jì)算2k+1個(gè)虛擬緩沖區(qū)VB(VirtualBuffer)值，即每一條報(bào)文到達(dá)前的VB和報(bào)文到達(dá)后的VB，然后選取其中的最大虛擬緩沖區(qū)VB(max)和最小虛擬緩沖區(qū)VB(min)，則DFVB(max)VB(min)MR=。因此，如果要得到一個(gè)DF值，需要在一個(gè)采樣點(diǎn)上計(jì)算兩次VB，并且在這個(gè)采樣周期內(nèi)所有VB值中找到最大值和最小值，根據(jù)公式然后需要進(jìn)行一次除法計(jì)算，而對(duì)于一個(gè)持續(xù)的視頻流來說，需要得到多個(gè)DF值才能進(jìn)行性能判斷，這樣的算法將勢(shì)必會(huì)在一定程度上加大硬件實(shí)現(xiàn)的難度、增加設(shè)備的負(fù)載。

針對(duì)計(jì)算DF值算法較復(fù)雜的問題，本文對(duì)MDI:DF的算法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)另一種實(shí)現(xiàn)較其簡(jiǎn)單的基于令牌桶計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲及抖動(dòng)情況的TBM算法[5]，其計(jì)算出來的TB值與DF值相似，能反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，但是TB值并不能很好地與DF值擬合。因此，本文第二部分主要介紹了對(duì)TBM算法進(jìn)行改進(jìn)的TBM+算法基本思想，第三部分描述了TBM+算法，第四部分介紹了在實(shí)驗(yàn)室搭建的一個(gè)IPTV監(jiān)測(cè)模型，以及對(duì)DF算法、TBM算法和TBM+算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并針對(duì)三種視頻監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和性能分析，最后是本文的結(jié)束語。

基本思想

將基于令牌桶的算法思想與DF算法思想進(jìn)行比較，令牌桶算法是通過令牌桶內(nèi)的令牌數(shù)就相當(dāng)于報(bào)文長(zhǎng)度，并且無需在多個(gè)虛擬緩沖區(qū)VB值中取最大值和最小值，而是直接輸出時(shí)刻點(diǎn)的令牌數(shù)，因此可以直接反映緩存區(qū)的變化情況，較DF算法思想更直觀、簡(jiǎn)單，同時(shí)由于DF算法中存在除法運(yùn)算，因此從硬件實(shí)現(xiàn)的角度來看，基于令牌桶的算法實(shí)現(xiàn)起來會(huì)更容易、方便。本文是基于令牌桶的方法實(shí)現(xiàn)視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)。其TBM+算法基本思想[1]是：如果接收到一條報(bào)文，則將該報(bào)文長(zhǎng)度lpack輸入令牌管理模塊中，由令牌管理模塊將與lpack相等的令牌數(shù)量加入令牌桶。同時(shí)，令牌管理模塊根據(jù)恒定的速率MR將令牌從桶中刪除?？删幊潭〞r(shí)器產(chǎn)生MR_t，MR_t表示令牌減小操作的時(shí)間間隔。寄存器中存有MR_v，MR_v為每次減小的令牌數(shù)。MR為令牌桶中令牌減少的速率，即MR＝MR_v/MR_t。當(dāng)令牌桶中令牌裝滿時(shí)，則表示接口流量到達(dá)過快；當(dāng)令牌桶中變空時(shí)，則表示接口流量到達(dá)過慢或無報(bào)文到達(dá)。令牌桶中UP_THD(underflowprotect)為下溢保護(hù)閥值，令牌桶內(nèi)令牌數(shù)目少于該值時(shí)，表示近段時(shí)間內(nèi)報(bào)文到達(dá)速率較低；OP_THD(overflowprotect)為上溢保護(hù)閥值，令牌桶內(nèi)令牌數(shù)目大于該值時(shí)，表示近段時(shí)間內(nèi)報(bào)文到達(dá)速率較高；Bucket_value為當(dāng)前令牌數(shù)；B為令牌桶深度。將OP_THD、UP_THD、Bucket_value、B、MR_t和MR_v這些參數(shù)輸入TBM+計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，最后得到結(jié)果TB值。令牌桶計(jì)算模型如圖1所示。TBM+算法是在TBM算法上進(jìn)行改進(jìn)和完善的。

針對(duì)TBM算法并不能很好地與DF算法的結(jié)果相擬合這個(gè)不足，對(duì)此在計(jì)算TB值的具體算法上進(jìn)行了改進(jìn)：一方面在Bucket_value與保護(hù)閾值進(jìn)行比較時(shí)，計(jì)算出與TBM算法不同的值賦給up_flow和down_flow；另一方面與TBM算法直接將up_flow和down_flow的值作為結(jié)果輸出不同，TBM+算法是將up_flow和down_flow的值與以前采樣周期的TB值進(jìn)行累加，得到當(dāng)前采樣周期的TB值做為結(jié)果輸出。

算法描述

根據(jù)以上參數(shù)定義可知，令牌桶內(nèi)令牌個(gè)數(shù)反映了虛擬緩沖區(qū)VB的大小，同時(shí)UP_THD和OP_THD反映了VB接近下溢和上溢時(shí)需要報(bào)警的閥值。當(dāng)Bucket_value<0或Bucket_value>B時(shí)，說明VB已經(jīng)出現(xiàn)下溢或上溢現(xiàn)象。當(dāng)Bucket_value>OP_THD時(shí)，計(jì)算出當(dāng)前令牌桶中大于上溢保護(hù)閥值OP_THD的令牌數(shù)up_flow；當(dāng)Bucket_value<UP_THD時(shí)，計(jì)算出當(dāng)前令牌桶中令牌數(shù)down_flow。最后再將這些令牌數(shù)up_flow和down_flow與TB值進(jìn)行累加，最終得到TB值。具體的令牌桶算法TBM+如表1所示。表1中的第10條語句計(jì)算的是當(dāng)前令牌桶中的令牌數(shù)量，MR_V/MR_T*ttt是令牌桶中減少的令牌數(shù)總和，即總共經(jīng)過了ttt時(shí)間后令牌桶按照MR的速率減少的令牌數(shù)，lsum是接收的報(bào)文長(zhǎng)度的總和，即令牌桶接收的令牌數(shù)總和，兩者相減就得到桶中此時(shí)的令牌數(shù)量。第11至13條語句，考慮的是令牌桶下溢的情況，此時(shí)的桶中令牌排空，故將bucket_value的值賦0。第14至16條語句，考慮的是當(dāng)前令牌桶中的令牌數(shù)大于上溢保護(hù)閥值的情況，將當(dāng)前令牌數(shù)與上溢保護(hù)閥值的差值記錄在up_flow中。第17至19條語句，考慮的是當(dāng)前令牌桶中的令牌數(shù)小于上溢保護(hù)閥值的情況，將當(dāng)前令牌數(shù)記錄在down_flow中。第20至22條語句，考慮的是當(dāng)前令牌桶中的令牌數(shù)介于兩個(gè)保護(hù)閥值之間的情況，則up_flow和down_flow都為0。第24條語句計(jì)算當(dāng)前采樣周期的TB值，即將之前所有采樣周期的TB值與當(dāng)前采樣周期的up_flow值、down_flow值進(jìn)行累加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

整個(gè)視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)模型系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)的核心部分主要是在NetMagic[6]平臺(tái)上完成。NetMagic平臺(tái)是國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究所面向下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究而設(shè)計(jì)開發(fā)的可重構(gòu)的開發(fā)式交換平臺(tái)。NetMagic平臺(tái)采用了高性能FPGA和商用以太網(wǎng)交換芯片相結(jié)合的新型體系結(jié)構(gòu)，可提供高端口密度報(bào)文線速轉(zhuǎn)發(fā)能力和邏輯可重構(gòu)能力，從而有效支持新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和報(bào)文處理機(jī)制的快速實(shí)現(xiàn)和部署。NetMagic采用開源開放的設(shè)計(jì)思想和模塊可重用的設(shè)計(jì)理念，為用戶提供了高可用的基本功能模塊并設(shè)計(jì)了良定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可有效減少用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證周期。我們先在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)模擬IPTV的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，再將NetMagic放入環(huán)境中組成視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)模型。

這個(gè)視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)模型需要一臺(tái)視頻服務(wù)器、一臺(tái)視頻客戶端、一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為控制端和監(jiān)測(cè)端，一臺(tái)NetMagic部署在視頻服務(wù)器與客戶端之間。具體的模型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。視頻服務(wù)器發(fā)送出視頻報(bào)文，視頻報(bào)文經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)流入NetMagic；NetMagic將每條報(bào)文進(jìn)入的時(shí)刻記錄在報(bào)文數(shù)據(jù)中，同時(shí)根據(jù)接收到控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令，對(duì)媒體流進(jìn)行模擬網(wǎng)絡(luò)干擾，再將每條報(bào)文提取出一條摘要報(bào)文發(fā)送給監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，最后將原視頻報(bào)文從NetMagic發(fā)送出去；視頻客戶端接收到視頻報(bào)文?？刂?監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)則從接收到的每條摘要報(bào)文中提取出報(bào)文長(zhǎng)度和時(shí)間戳，根據(jù)不同的算法得到所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果——DF值和TB值。

利用Wireshark抓包軟件捕獲網(wǎng)絡(luò)中的視頻服務(wù)器與終端之間的流媒體數(shù)據(jù)，并保存成Trace文件。通過觀察分析，Trace文件中包含每個(gè)報(bào)文接收的時(shí)刻、長(zhǎng)度、源和目的IP地址、源和目的端口號(hào)以及協(xié)議類型等，并且發(fā)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)是封裝在UDP協(xié)議中進(jìn)行傳輸?shù)摹８鶕?jù)IP協(xié)議和UDP協(xié)議的格式，將這種UDP報(bào)文中的時(shí)刻和長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的字段提取出來，分別輸入到DF算法和令牌桶算法之中，最后計(jì)算出我們需要的DF值和TB值。

在計(jì)算DF的實(shí)驗(yàn)中，MR=1.664Mb/s，采樣周期為100ms，每一個(gè)采樣周期計(jì)算出一個(gè)DF值；在TBM算法和TBM+算法的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)一個(gè)令牌為1字節(jié)，其參數(shù)設(shè)置為MR_t=10ms,MR_v=2080，采樣周期為100ms，UP_THD=4000，OP_THD=6000，B=10000，每一個(gè)采樣周期輸出一個(gè)TB值。最終，通過三個(gè)不同的算法進(jìn)行計(jì)算，分別得到所要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果DF值、TBM算法的TB值和TBM+算法的TB值，如圖3所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線圖中可以看出，TBM+算法的TB值曲線較TBM算法的可以更好地與DF值的曲線擬合，說明TBM+算法比TBM算法更能反映所測(cè)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。如圖3(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)在第135個(gè)采樣周期時(shí)刻，出現(xiàn)了一次突發(fā)性報(bào)文到達(dá)，使得令牌桶內(nèi)令牌數(shù)Bucket_value陡然增加，從而導(dǎo)致DF值和TB值也突然增加。如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)所示，當(dāng)DF值為一定值或TB值為0時(shí)，說明網(wǎng)絡(luò)中無報(bào)文到達(dá)或報(bào)文到達(dá)速率較慢，存在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；當(dāng)DF值或TB值變化越頻繁，說明網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)越強(qiáng)烈。

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的IPTV視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)模型,該監(jiān)測(cè)模型使用了一種優(yōu)于計(jì)算MDI:DF值為性能參數(shù)、基于令牌桶TBM算法的改進(jìn)算法TBM+，可以解決目前缺乏有效的應(yīng)用于IPTV的視頻質(zhì)量測(cè)試工具問題。監(jiān)測(cè)模型可以從視頻源端到目的端之間任一段網(wǎng)絡(luò)中接入，監(jiān)測(cè)指定的視頻數(shù)據(jù)流，可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延時(shí)參數(shù)。通過監(jiān)測(cè)曲線的變化來判斷引起視頻質(zhì)量問題的原因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，提高故障處理效率，為進(jìn)一步優(yōu)化和部署IPTV的網(wǎng)絡(luò)提供客觀依據(jù)。